“Mejoras en los procesos de tratamiento de aguas residuales” Dirk Loose 18 NOVIEMBRE 2019 Índice Lagunas anaeróbicas Lodos activados Aprovechamiento de biogás Comercialización de agua cruda Deshidratación de lodos 2 Lagunas anaeróbicas – Medida de optimización Reducción biológica de sustancia orgánica en ausencia de oxígeno produciendo biogás con alta concentración de metano (60 – 70%). Sustancia orgánica Hidrolisis Metanogénisis Biogás Acidogénisis Acetogénisis Sustancia orgánica Productos H2, CO2, CH3COOH, … Producción de ácidos – reducción del valor pH Procesos CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O CH3COOH → CH4 + CO2 Consumo de ácidos 3 Lagunas anaeróbicas – Medida de optimización Eficiencia de la remoción de la carga orgánica Tratamiento aeróbico Los 50% de la carga orgánica (DQO/DBO5) serán oxidados a CO2. El resto forma biomasa (lodo) Tratamiento anaeróbico Los 70 – 90 % de la carga orgánica (DQO/DBO5) serán transformados en biogás. Solo 10 % forman biomasa (lodo) CO2 DQO 100% 40-50% 5 – 10% 50-60% Biogás DQO en el efluente Lodo Chernicharo, 2007 DQO 70-90% 100% 10 – 30 % 5-10% DQO en el efluente Lodo 4 Lagunas anaeróbicas – Datos básicos Biogás, ácidos volátiles Estrato anaerobio ½P Profundidad = P Dominan procesos anaerobios por toda la columna de agua ½P Longitud = L Ancho = A 5 Lagunas anaeróbicas – Datos básicos Valores de diseño (T=20°C) Carga superficial de la DBO5 > 1,000 kgDBO5/(ha.d) Carga volumétrica de la DBO5 = 0.1 – 0.3 kgDBO5/(m3.d) No se recomienda su aplicación con temperaturas del agua < 15 ºC Datos constructivos Tiempo de retención: 1 – 5 días. Profundidad: 2.5 – 5 m. Longitud vs. Ancho: 1 hasta 3 Sin o con rampa de acceso para la limpieza. Revestimiento de arcilla, concreto o geomembrana Eficiencia del tratamiento Remoción de la DBO5: aprox. 50 % hasta 70 % Remoción de sólidos: aprox. 80 – 90 % de los SST 6 Lagunas anaeróbicas – Datos básicos Temperatura ambiental ºC Carga kgDBO5/(m3.d) Remoción DBO5 en % Tiempo de retención d 10 – 20 0.02T – 0.1 2T + 20 1 - 2 (3 – 6) 20 – 25 0.01T + 0.1 > 25 0.35 70 según: von Spérling, 2007 NB688, 2014 7 Lagunas anaeróbicas – Medida de optimización Caso: Carga DBO5=2 500 kg/d, TAR = 20°C Solución A: Laguna facultativa (LF) Superficie LF = 10 ha Laguna LF Solución B: Laguna AN Laguna LF Superficie LAN = 0.25 ha Superficie LF = 4.5 ha 8 Lagunas anaeróbicas – Medidas de optimización 9 Lagunas anaeróbicas – Medidas de optimización – Emisiones Emisiones de olores significativos cuando SO4 > 500 ppm (OS.090 recomienda SO4 < 250 ppm) Emisiones de gases con impacto en el efecto (34 kgCO2/kgCH4) Laguna facultativa Laguna anaeróbica 37 – 108 kg CO2/hab-equi.a > 168 – 223 kg CO2/hab-equi.a Estimado en base IPCC, 2006 10 Lagunas anaeróbicas – Medidas de optimización – Emisiones Loose 11 Lagunas anaeróbicas – Medidas de optimización – Remoción de lodos Ramos, Encalada 12 Lagunas anaeróbicas – Medidas de optimización Diseño optimizado de la zona del ingreso, incrementa la eficiencia (exige buen pretratamiento) Tiempo retención para TAR = 20°C: UASB LAN 9 – 10 horas 24 – 36 horas Mara, 2003 13 Lodos activados – General Lodos activados con sedimentador secundario Sunass, 2014 14 Lodos activados – Aireación Lodos activados con sedimentador secundario Loose 15 Lodos activados – Aireación Demanda de energía eléctrica para aireación de lodos activados (SAE = 1,8 kgO2/kWh, c x,O2 = 2,0 mg/L) Demanda de energía eléctrica para aireación de lodos activados (SAE = 3 kgO2/kWh, c x,O2 = 2,0 mg/L) 55.00 124.00 -- Estabilización simultanea del lodo -- Nitrificación y desnitrificación -- Remoción de la DBO5 50.00 -- Estabilización simultanea del lodo -- Nitrificación y desnitrificación -- Remoción de la DBO5 45.00 40.00 El trabajo con cx,O2 = 1,0 mg/L reduce la demanda de energía en las alturas bajas por 10 % y en las altura altas hasta 24 %. kWh/(hab-equiv.a) kWh/(hab-equiv.a) 104.00 El trabajo con cx,O2 = 1,5 mg/L reduce la demanda de energía en las alturas bajas por 7 % y en las altura altas hasta 16 %. 35.00 El trabajo con cx,O2 = 1,5 mg/L reduce la demanda de energía en las alturas bajas por 7 % y en las altura altas hasta 16 %. El trabajo con cx,O2 = 1,0 mg/L reduce la demanda de energía en las alturas bajas por 10 % y en las altura altas hasta 24 %. 84.00 64.00 30.00 25.00 44.00 20.00 24.00 15.00 10.00 4.00 0 500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 4,000 0 500 1,000 Altura PTAR s.n.m. en m T_AR=25°C T_AR=20°C T_AR=15°C 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 Altura PTAR s.n.m. en m T_AR=12°C T_AR=25°C T_AR=20°C T_AR=15°C T_AR=12°C Loose, 2016 16 4,000 Lodos activados – Aireación Medidas de optimizar el consumo de energía eléctrica por la aireación Trabajo con sistema de aireación de alta eficiencia Reducción de la edad del lodo mínimo necesario Trabajo con la concentración de oxígeno mínima necesaria Automatización de la aireación Concentración de oxígeno disuelto, Potencial Redox (Nitri-Deni), NH4-N + NO3-N (Nitri-Deni), 17 Lodos activados –Optimizar consumo de Energíaaireación Trabajo con sistema de aireación de alta eficiencia Sistemas de aireación Estándar - E Campo – C1) Condición favorable Suministro (SSOTR) en gO2/(m3Aire mProf) Eficiencia en kgO2/kWh Aire comprimido Burbujas finas E C 12 – 20 10 2,2 1,8 Mangueras de membranas E C < 26 < 18 < 4,5 < 3,2 Mangueras de aireación profundas de burbujas medianas E C 7 – 10 5,5 1,4 1,1 Mangueras de aireación elevada de burbujas medianas E C 8 – 10 7,5 1,8 1,5 Mangueras de burbujas gruesas E C 6 4,5 1,2 0,9 Platos de membranas E C < 26 < 16 <7 < 3,4 Sistemas de aireación Condición favorable Eficiencia en kgO2/kWh Eficiencia en kgO2/kWh E C Rotador en zanja 2,1 – 2,3 2,0 – 2,2 Rotador en tanque de mezcla 1,8 – 2,2 1,8 – 2,2 Aireadores superficiales Hosang&Bischoff, 1999 18 Lodos activados –Optimizar consumo de Energíaaireación Reducción de la edad del lodo mínimo necesario Tamaño PTAR Grado de del tratamiento Grado tratamiento Remoción de carbón (DBO) Nitrificación con T = 10ºC Nitrificación + desnitrificación Vanox/VR = 0.2 Vanox/VR = 0.3 Vanox/VR = 0.4 Vanox/VR = 0.5 Nitri + Deni + Estabilización del lodo (aireación prolongada) < 20,000 hab 10ºC 12ºC 5 10 8.2 > 100,000 hab 10ºC 12ºC 4 8 6.6 12.5 14.3 16.7 20 10 8.3 11.4 9.4 13.3 11.0 16.0 13.2 No recomendado 10.3 11.7 13.7 16.4 25 según: ATV-DVWK A131 (2001) Nitrificación OVd,Nitri = Q d,aflR ∙ 4.3 ∙ sNO3−N,Deni − sNO3−N,aflR + sNO3−N,eflSedS ∙ Desnitrificación OVd,Deni = Q d,aflR ∙ 2.9 ∙ sNO3−N,Deni ∙ 1 1000 1 1000 kg/d kg/d 19 Lodos activados – Optimizar consumo de Energíaaireación Trabajo con la concentración de oxígeno mínima necesaria DWA-268 20 Lodos activados – Optimizar consumo de Energíaaireación Automatización de la aireación en caso de aireación simultánea para lograr los objetivos del tratamiento con aireación optimizada O2-Inyección O2-Inyección O2-Inyección DWA-268 21 Lodos activados – Optimizar consumo de Energíaaireación Automatización de la aireación en caso de aireación simultánea para lograr los objetivos del tratamiento con aireación optimizada O2-Inyección O2-Inyección DWA-268 22 Lodos activados – Optimizar consumo de Energíaaireación Automatización de la aireación OD Redox NH4-N / NO3-N - Sonda 23 Lodos activados – Optimizar consumo de Energíaaireación Krueger Wabag 24 Lodos activados – Optimizar consumo de Energíaaireación – Caso 1 PTAR Concepción (2014) No tiene laboratorio No tiene medición de oxígeno en línea con operación automático de los sopladores No tiene multi-parámetro manual para medir oxígeno disuelto Sí tiene una ubicación a 3 000 m sobre nivel del mar Sí tiene costos elevado de consumo de energía eléctrica, por lo cual opera la aireación solo por horas al día Lodos activados – Optimizar consumo de Energíaaireación – Caso 2 Concepto de PTAR de Puno con vertimiento a cuerpos de agua ECA-Agua Cat. 3 Exigencias del tratamiento del agua Exigencias del tratamiento del lodo LMP: No tiene limite para nitrógeno Debe producir un lodo estabilizado ECA-Agua: Tiene límite para NO3-N + NO2-N < 100 mg/L (ARdoméstica tiene < 80 mg/L) No necesita remoción de nitrógeno (nitri-desnitrificación) Edad del lodo < 5 d Edad del lodo > 25 d El sistema de lodos activados con aireación extendida no es la solución óptima porque conlleva a nitri-desnitrificación. Opción elegida: Estabilización del lodo en exceso en tanque separado. (No quiere decir, que es la mejor opción.) Lodos activados – Optimizar consumo de Energíaaireación – Caso 2 Concepto de PTAR de Puno con vertimiento a cuerpos de agua ECA-Agua Cat. 3 Lodos activados con sedimentador secundario Aprovechamiento del biogás Tecnología Digestor de lodo, Tanque Imhoff Sustrato Lodo Producción específica General Lodo primario + secundario de lodos activados (F/M = 0,25) Lodo secundario de lodos activados (F/M < 0,1)2) 0,75 – 1,12 m3 gas/ SSVremov 16,5 – 25 L gas / hab-equivaflu1) Lodo primario + secundario de filtros percoladores Lodo primario + secundario de filtros percoladores 0,95 m3 gas / SSVremov aprox. 0,5 m3 gas/SSVremov 3,5 – 5,3 L gas / hab-equivaflu1) Referencia (Metcalf & Eddy, 1998) (Bischofsberger, Dichtl, Rosenwinkel, Seyfried, & Böhnke, 2005) (Bischofsberger, Dichtl, Rosenwinkel, Seyfried, & Böhnke, 2005) (The World Bank, 2015) Datos de PTAR de Perú de un digestor con funcionamiento subboptimal Agua residual UASB General General Laguna anaerobia PTAR Santa Cruz PTAR Melbourne 0,2 m3 CH4 / kg DQOremov 0,17 m3 gas / kgDQOremov 0,113 – 0,196 CH4/kgDQOremov 0,058 – 0,198 CH4/kgDQOremov (GTZ/TBW, 1998) (Wagner, 2010) según modelos de (da Silva Lobato, 2011) (Gomes Cabral, Platzer, Chernicharo, Filho, & Hoffmann, 2016) 0,3 L gas / kg DBO5,aflu (Mara, 2006) 0,175 L CH4 / kg DQOremov (The World Bank, 2015) 3 0,24 m gas / kg DQOremov (CH4 = 64%) (The World Bank, 2015) 0,3 m3 gas / kg DQOremov (CH4 = 79%) 28 Aprovechamiento del biogás Cogeneración de energía https ://www.energas-gmbh.de/bhkw-containeranlage/ Generación de calor/frío Loos e, 2011 Producción de aire comprimido https ://www.lkee.de/media/custom/2112_5710_1.PDF?1521030840 29 Aprovechamiento del biogás https ://www.flickr.com/photos/rrpowersystems/12233803243 https ://www.energiewerkstatt.de/en/power-heat-coupling/ 30 Aprovechamiento del biogás Energia propia en% Consumo especifico en kWh/hab-equiv.a generalmente la digestión anaeróbica de lodo, produciendo energía eléctrica para cubrir parte de la demanda de energía eléctrica del tratamiento. Consumo especifico en kWh/hab-equiv.a aplica en Alemania Relación energíaelec propia/energíaelec total en % En PTAR > 50 000 hab-equiv se 31 Aprovechamiento del biogás Modelo PTAR R+D+Lan+Lf+Lpul R+D+I+Lf+Lpul R+D+U+Lf+Lpul R+D+Sp+F+Ss+Dclor R+D+I+F+Ss+Dclor R+D+U+F+Ss+Dclor R+D+Lan+F+Ss+Dclor R+D+Sp+L(F/M=0,25)+Ss+Dclor R+D+U+L(F/M=0,25)+Ss+Dclor R+D+Lan+L(F/M=0,25)+Ss+Dclor R+D+Lan+LMC+Dclor Producción de biogás L CH4/(habequiv.d) 10,6 3,9 12,5 8,0 6,4 13,7 12,2 9,2 14,3 12,9 10,6 Producción energía térmica, neto kWhterm/(habequiv.a) 15,8 5,8 18,7 7,3 9,6 20,5 18,3 9,1 21,4 19,3 15,8 Producción energía eléctrica kWhel/(habequiv.a),bruto 11,3 4,1 13,3 8,6 6,8 14,6 13,0 9,8 15,2 13,7 11,3 kWhel/(habequiv.a),neto 10,5 3,3 12,5 4,2 3,7 11,5 9,9 -7,4 5,9 2,5 -10,9 32 Aprovechamiento del biogás – Caso 1 Producción de biogas 4.000 30.000 Disponibilidad de energía en kWh/d Producción de biogás en Nm3/d 3.500 3.000 2.500 2.000 1.500 1.000 25.000 20.000 15.000 10.000 5.000 500 0 0 ene feb mar abr may jun jul ago sept oct nov dic ene feb mar abr may jun jul ago sept oct nov dic 33 Aprovechamiento del biogás – Caso 1 Demanda de energía 380 Demanda promédia de la PTAR en kWeléctrico Electricidad consumida en kWh/mês 250.000 200.000 150.000 100.000 50.000 360 340 320 300 280 260 240 220 200 0 ene feb mar abr may jun jul ago sept oct nov dic 34 Aprovechamiento del biogás – Caso 1 Demanda de energía vs. disponibilidad Demanda de Energia térmica 600 Potencial Térmica generada - Fabricante 1 Potencial Térmica generada - Fabricante 2 Energía térmica en kWh/h 500 400 300 200 100 0 ene feb mar abr may jun jul ago sept oct nov 35 dic Aprovechamiento del biogás – Caso 2 1000 kg FFB 200 L aceite crudo de palmera 36 Aprovechamiento del biogás – Caso 2 400 kg RRSS 1000 kg FFB 650 – 800 L AR 37 Aprovechamiento del biogás – Caso 2 Producción de planta extractora mediana: 15 – 30 t FFB/h QAR = 10 – 24 m3/h = 2.8 – 6.7 L/s DQO = 50 000 mg/L = 12 t/d – 30 t/d = 240 000 – 600 000 hab-equiv. Tecnología típica de tratamiento: Común: Lagunas anaeróbicas sin cobertura Emisión: 3 000 – 7 400 m3CH4/d 38 Aprovechamiento del biogás – Caso 2 Biodigestor (laguna anaeróbica modificada) Planta de cogeneración de biogás 1 900 kW Cubre 100% del consumo de energía eléctrica de la planta extractora y abastece al red pública Reduce significativamente el impacto ambiental del agua residual 39 Manejo de lodos Comparación de los costos operativos de PTAR de diferentes tecnologías (carga promedio: 7 600 kgDBO5/d o 126 000 hab-equiv) 25 20 S/./(hab-equiv.a) 1 Hab-equiv = 60 gDBO5/d = 150 L/d 15 10 5 0 Tipo de PTAR Personal Disposición final de RRSS y lodos Mantenimiento Energía Administración Análisis Químicos Agua potable Manejo Lodos (Lagunas) Retribución (ECA3) 40 Ejemplo: Lodo en exceso de lodos activados con aireación extendida Lodo en exceso purgado Lodo espesado Lodo deshidratado Lodo secado Manejo de lodos ST= 1.2% Sustrato: Sustrato: Agua = 98.8 % = 988 kg/t ST = 1.2 % = 12 kg/t --> 12kg/d 400hab Energía: Entre 1 hasta 2 S/. por km Espesamiento Entre 0.24 hasta 0.48 S/. por km Estático: Energía electrica: aprox. 0 kWh Polímero: 0 kg *) Suponiendo una eficiencia del secado de 100%. Mecánico: Energía eléctrica: < 0.3 - 2 kWh (seg. tecnología) Polímero: < 48 g Sustrato: Secado Agua = 80 % = 48 kg/t ST = 20 % = 12 kg/t Energía: Demanda para evaporar el agua: 164 kWh*) Liberación quemando los sólidos: 37 kWh Transporte: ST=80% Sustrato: Deshidratación Agua = 95 % = 228 kg/t ST = 5 % = 12 kg/t Energía: Demanda para evaporar el agua: 711 kWh*) Liberación quemando los sólidos: 37 kWh Transporte: ST=20% ST= 5% Energía: Demanda para evaporar el agua: 34 kWh*) Liberación quemando los sólidos: 37 kWh Transporte: Demanda para evaporar el agua: 2.2 kWh*) Liberación quemando los sólidos: 37 kWh Transporte: Entre 0.06 hasta 0.12 S/. por km Mecánica: Energía electrica: < 0.1 - 0.5 kWh (seg. tec.) Polímero: 48 - 96 g Agua = 20 % = 3 kg/t ST = 80 % = 12 kg/t Más que 0.015 hasta 0.03 S/. por km Térmica / Solar- térmica: Energía electrica: según tecnología Energía térmica: según tecnología Loose, 2019 41 Tecnología de deshidratación de lodo Parámetro Unidad Centrífugas Filtro prensa de banda Prensa filtro de cámara Polímero Ca/Fe Tornillo de prensa Concentración del lodo deshidratado Lodo primario % 32 – 40 30 – 35 32 – 40 35 – 45 30 – 40 Lodo prim. + secun. (1:1) % 26 – 32 24 – 30 26 – 32 33 – 45 24 – 30 Lodo secun. estabilizado % 18 – 24 15 – 22 18 – 24 28 – 35 18 – 24 Lodo anaeróbico digerido % 22 – 30 20 – 28 22 – 30 30 – 40 20 – 28 6 – 15 - 6 – 12 60 – 70 70 – 80 20 – 40 Consumo de polímero (100% sustancia útil) Específico g/kgST 8 – 14 6 – 12 Consumo de energía eléctrica Específico (con bombeo y polímero) kWh/kgST 60 – 90 40 – 50 Loose, 2019 DWA-M366, 2013 42 Tecnología de deshidratación de lodo – Centrífuga Impacto en la calidad: Dosis del polímero, cantidad y calidad del ingreso, revolución del tambor, diferencial de revoluciones de tambor y tornillo transportador. Parámetro Unidad Deshidratación m3/h kg/h 1 – 200 20 – 4 000 ST del ingreso % 2–8 Sólido retenidos % > 95 Capacidad Por reducir la revolución la centrífuga sirve para solo espesamiento. 43 Tecnología de deshidratación de lodo – Centrífuga Uso de la fuerza centrifugal (500 – 4 000 g) para la separación del agua del lodo acondicionado, creado por revoluciones > 3000 rpm. Mennerich, 2015 44 Tecnología de deshidratación de lodo Control de mandos Agregados de la deshidratación (Centrífuga) Lodos deshidratados Polímeros/ Floculantes Suministro de lodo líquido Licor de lodos http://www.klaeranlage-kanal.de/ 45 Tecnología de deshidratación de lodo Loose, 2013/2014 46 Tecnología de deshidratación de lodo – Tornillo de prensa Desarrollo de los últimos años Desgaste mecánico muy limitado, alta robustez debido a la baja velocidad de los partes giratorias (<1,5 rpm) Exigencia de mtto limitado 1-Afluente 2-Efluente del filtrante 3-Tornillo compactador 4-Canasta de filtración 5-Agua de retrolavado 6-Cono de presión 7-Descarga de lodo deshidratado 8-Moto con engranaje Emisión de ruido limitada Requerimientos a instalación limitados www.huber.de 47 Tecnología de deshidratación de lodo – Tornillo de prensa Parámetro Unidad Deshidratación m3/h kg ST/h 1 – 30 10 – 1 000 ST del ingreso % < 1 – mayor Eficiencia de retención % > 95 Capacidad www.huber.de; www.andritz.com; Veenstra, 1999; DWA-M 366, 2013 48 Tecnología de deshidratación de lodo – Tornillo de prensa location Tornillo deshidratador Centrifuge York, ME 19% 18% Andritz Charleston, SC 17.9% 18.1% Westfalia Mobile, AL 26% 24% Westfalia Dover, NH 39.8% 34% Andritz Allenstown, NH 40% 35% Centrisys Charlotte, NC 19% 17% Alfa Laval Orange County, FL 21% 21% Andritz 49 Tecnología de secado de lodo – Lecho de secado Carga una sola vez durante de 4 – 6 horas (remoción de lodo seco antes de la siguiente carga) con una altura de 20 – 30 cm. Tiempo de secado: 4 – 8 semanas en climas frías, 1 – 2 semanas en climas cálidas Carga: 1 - 3 m³/(m².a) Tipo de Lodo Digerido Carga superficial (kg sólidos/(m2.año)) Primario 120 – 200 Primario y filtros percoladores 100 – 160 Primario y lodos activados 60 – 100 Zanjas de oxidación y aireación prolongada 110 – 200 Lagunas de estabilización (anaerobias y facultativas) 60 – 100 50 Tecnología de secado de lodo – Lecho de secado 51 Tecnología de secado de lodo – Lecho de secado termosolar 52 Tecnología de secado de lodo – Lecho de secado termosolar Cuando hay suficiente espacio disponible demanda de terreno = 500 – 700 kg/m2.a Cuando no hay energía térmica disponible, o la energía disponible es de temperatura muy baja (< 50-80°C) o insuficiente en cantidad. Cuando existe suficiente radiación solar durante todo el año Cuando las especificaciones exigen un bajo consumo eléctrico (Solstice: 20 - 30 kWh/ton de agua evaporada) Cuando un secado final preciso y constante no es necesario. 53 Resumen Ya hay una gran variedad de tecnologías de TAR en las empresas de agua. Sería bueno contar con un registro de estas tecnologías y un cuidadoso monitoreo de ellos por instituciones independientes, para determinar opciones de optimización recomendables. De tal manera, se podría llegar a un estado de comprar sistemas óptimas en las empresas de agua. Gracias por la atención 54
